Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и выбор направления создания новой концепции проектирования объектных автоматизированных информационных систем 12
1.1. Проектирование АИС 12
1.2. Объектный подход 14
1.3. Формально-логический уровень объектного подхода 17
1.3.1. Основные необходимые понятия 17
1.3.2. Объектная модель данных 19
1.3.3. Язык объектных запросов 22
1.4. Роль ОСУБД в архитектуре ODMG 23
1.5. Ограниченность современной объектной концепции 24
Выводы по первой главе 29
Глава 2. Расширение объектного подхода. Физический и логический уровни проектирования 31
2.1. Физический уровень 31
2.1.1. Физические структуры 31
2.1.2. Модифицированное В-дерево 34
2.2. Логический уровень 38
2.2.1. Логическая модель данных 38
2.2.2. Реляционные модели и алгебры 41
2.2.3. Недостатки реляционной модели 45
2.2.4. Семантические сети 46
2.2.5. Особенности языков обработки данных 47
2.2.6. Разряженное упорядоченное дерево на логическом уровне 48
Выводы по второй главе 53
Глава 3. Расширение объектного подхода на концептуально-логическом уровне проектирования 55
3.1. Классы объектов 56
3.2. Отношения между классами 57
3.3. Стержневые объекты 61
3.4. Виртуальные объекты 62
3.5. Семантика атрибутов виртуального объекта 65
3.6. Преобразование объектной модели в реляционную 66
3.7. Многовариантное представление информационных объектов 72
3.8. Реализация виртуального объекта 75
3.9 Аналитическая обработка данных 76
3.10. Реализация физического и логического уровней АИС на основе промышленной СУБД Cache 81
3.11. Представление схемы взаимодействия уровней АИС 84
3.10. Структура инструментария АИС 88
3.13. Оценка эффективности АИС 90
3.13.1 Синтез оптимальной логической структуры 90
3.13.2 Синтез оптимальной физической структуры 93
Выводы по третьей главе 98
Глава 4. АИС информационных регистров 100
4.1. Список задач информационной системы регистров 100
4.2. Концептуальный уровень представления АИС социальных регистров обеспечения реабилитации инвалидов 103
4.3. Социальные регистры как динамический информационный объект 111
4.4. Множество информационных требований пользователей 113
4.5. Вопросы формирования и актуализации регистров населения 117
4.6. Пример возможных вариантов структур регистров различного уровня... 122
Выводы по четвертой главе 124
Заключение. Общие выводы по работе 126
- Объектная модель данных
- Модифицированное В-дерево
- Преобразование объектной модели в реляционную
- Концептуальный уровень представления АИС социальных регистров обеспечения реабилитации инвалидов
Введение к работе
Актуальность темы. Разработка автоматизированной информационной системы (АИС) с базами данных (БД) большого объема со сложными внутренними взаимосвязями является достаточно сложной задачей, не всегда имеющей возможность положительного решения с заданными сроками и точностью нахождения тех или иных данных. Это связано с тем, что, во-первых, в подобных проектах большое значение имеет правильный выбор архитектуры, которая эффективно поддерживала бы строго ограниченный набор средств работы с данными. При появлении новых требований даже хорошо спроектированная архитектура может утратить эффективность. Во-вторых, большое число взаимосвязей данных и их увеличение по мере использования и развития АИС, также может привести к некорректной работе системы управления данными. Это относится ко всем общепринятым формальным моделям: реляционным, сетевым, фреймовым и т.д.
Стандартная трехуровневая архитектура проектирования АИС предполагает проектирование сразу трех уровней и эффективность преобразования одно уровня в другой обычно не рассматривается вследствие плохой формализуемости концептуальной схемы. Поэтому способ стандартного проектирования может отрицательно сказаться на общей эффективности системы, в частности с высокоподвижными информационными ресурсами.
В альтернативу стандартным подходам к проектированию, необходима разработка новой концепции, которая позволяла бы строить высокоэффективные АИС, работающие с подвижными информационными ресурсами и, в тоже время, свободной от недостатков присущих известным способам проектирования.
Актуальность такого подхода достаточно очевидна при решении задач создания современных автоматизированных информационных систем, отличительной особенностью которых в сравнении с ранее распространенными проектами, является повышение требований к точности представления концептуального уровня на нижележащих уровнях и отражение реалий существующей динамики взаимосвязей данных. В частности, актуальность разработки информационных регистров социального (медико-социального) направления содержит в себе две главные компоненты - актуальность исследовательской научной постановки проблемы и актуальность прикладной, прагматической постановки. Многие важные аспекты такого рода работ в медицинском, системном и медико-техническом плане с различных сторон рассмотрены в работах Р.М.Юсупова и Р.И.Полонникова [2, 3], Е.П.Попечителева [4,5], В.М. Ахутина [6], в работах [7-9] и др.
Предлагаемое исследование имеет существенные постановочные отличия, связанные не только с подходом к построению структуры АИС, но и с их ориентацией на создание социальных регистров. Это следует из того, что:
- системы управления накапливаемом в регистре информационным ресурсом, в том числе и система обеспечения реабилитации инвалидов, существуют как некоторая вертикаль управления, начиная с самого верхнего, Федерального уровня;
- системы управления ресурсом не являются независимыми вертикалями, но существенно переплетаются и интегрируются по горизонтали на всех уровнях. Система реабилитации инвалидов является, таким образом, частью, одной из вертикалей общей Федеральной системы информационной системы;
- системы управления такого рода существуют в рамках собственных ресурсных офаничений, в том числе и по финансированию. Информационное обеспечение систем управления является одной из главных их компонент, определяющей работоспособность и само существование управления.
Отсюда следуют главные аспекты формирования практической постановки исследования:
1. Требуется построить информационную систему - информационный регистр, являющуюся частью уже действующей вертикали управления Федерального уровня.
2. Разрабатываемая система управления должна быть интефирована не только по вертикали управления от Федерального до местного уровня, но и по горизонтали с системами общего управления человеческим ресурсом — паспортной службой и МВД, социальными службами, медицинскими службами, пенсионным фондом и так далее.
3. Создаваемая система должна иметь возможность легко интефироваться в уже существующие системы управления всех уровней.
Ясно, что все перечисленные фебования в известном смысле являются взаимоисключающими. Действительно, требуется посфоить открытую в общесистемном смысле информационную систему в условиях очень жестких ресурсных офаничений по всем существенным парамефам - финансовым, временным и технологическим. Дополнительно возникает и такое офаничение: система должна базироваться на стандартных, инженерно распространенных и доступных аппаратных и программных платформах, без каких-либо специальных модификаций обеспечивать естественную интеграцию различных аппаратных и программных платформ.
Управление информационными ресурсами присутствует на всех стадиях развития общества и чем выше уровень развития, тем выше требования к этому управлению. К настоящему времени хорошо известно большое число систем обеспечения медико-социального характера [47], поэтому важно рассмотрение отличительных качественных характеристик самого объекта исследования и его информационного обеспечения, то есть следующих моментов:
1. Объект подвижен и изменчив.
2. Подвижность и изменчивость объекта исследования предъявляет соответствующие требования к информационному обеспечению, выступает как некоторые «показатели», указывающие насколько изменяется структура и состав информационного обеспечения во временном процессе действия управления. Причем как «в большом», на отрезках времени «больших» относительно изменчивости самого ресурса, так и «в малом», на отрезках времени, сопоставимых с периодом управления и даже меньших.
В разных практических ситуациях показатели, сравнительные оценки подвижности и изменчивости выступают по-разному. Их действие не всегда совершенно очевидно и понятно, требует анализа для правильного восприятия.
К примеру, информационная база даже самой современной банковской системы в своем ядре почти ничем не отличается от гроссбуха столетней давности, унаследовала в своей основе даже терминологию. Этим и обусловлен тот факт, что первыми автоматизированными системами стали системы учета «стабильно представимых» структур данных, в частности банковские системы. Благодаря малой подвижности информационной базы, стала возможной разработка и внедрение этих систем практически «сразу и одномоментно», а также их длительная эксплуатация без кардинальных переработок. Более того, стало возможно не только окупить разработку этих систем, но и их дальнейшее развитие и модификацию с достаточно малыми затратами.
Исторически сложилась ситуация, когда системы обработки «стабильных в представлении» структур данных стали основой и примером для создания всех прочих систем. Именно банковские системы и подобные им по постановке, стали предтечей и прообразом всех остальных систем автоматической обработки данных. Прообразом далеко не всегда удачным и адекватным, поскольку день ги, будучи наиболее подвижным физическим объектом, как информационный объект очень малоподвижны. Их описание, то есть назначение, признаки, характеристики и способы применения остаются неизменными на протяжении столетий.
Иначе ситуация сложилась, например, с ископаемыми ресурсами. Будучи физически очень малоподвижными (месторождения только открывают и исчерпывают, а это достаточно длительные процессы), как информационный объект эти ресурсы куда более подвижны.
Постоянно и достаточно быстро меняются технологии, а значит способы поиска и переработки, наконец, меняются способы использования этих ресурсов. А значит, необходимо меняется и информационная компонента, информационная база системы управления этими ресурсами. Попытки создавать автоматизированные системы для информационного обеспечения таких ресурсов, в частности «регистры ископаемых» при всей очевидной насущности проблемы, как правило, проваливались буквально до последних десятилетий, до внедрения современных информационных технологий. Только в последнее время в наиболее развитых странах появились автоматизированные информационные системы этих ресурсов, а задача интеграции этих систем все еще остается открытой.
Аналогичная ситуация сложилась и с земельными кадастрами. К примеру, в СССР попытки автоматизировать земельный кадастр не прекращались со времен начала внедрения вычислительной техники, но создание действующей информационной системы «земельный кадастр России» начато только сейчас и, насколько известно, ведется с переменным успехом.
Причина та же, что и с ископаемыми ресурсами - являясь физически малоподвижным ресурсом, в информационном аспекте земля оказалась весьма подвижной - опять же в силу развития сельскохозяйственных и других технологий и политико-экономических тенденций. Привычки работы с хорошо формализуемыми информационными объектами по типу банковских систем и здесь сослужили плохую службу: в СССР и затем в России пришлось вложить в автоматизацию земельного кадастра весьма значительные ресурсы с практически нулевым результатом.
Можно упомянуть и успешно внедренные и распространяющиеся системы обслуживания пассажиров, резервирования билетов и гостиничного бизнеса. Будучи физически «максимально подвижным» в информационном отношении, пассажир не изменился за последнее столетие, неизменными остаются основные функции - перемещение, ожидание, занятие места в гостиницах и в транс портных средствах, меняются лишь способы реализации этих функций, так что здесь образец банковских систем сыграл положительную роль.
Совершенно иное дело — социально-демографический ресурс. Здесь разработчик имеет дело с наиболее подвижным в информационном плане объектом. Эта подвижность определяется тем, что она и есть сама жизнь общества, совокупность различных процессов, составляющих жизнедеятельность общества и индивида. Информационная компонента управления этим объектом должна быть открытой системой в самом прямом смысле общей теории систем - в смысле обеспечения и реального учета непрерывного взаимодействия со своим окружением, а не в программистском смысле свободы добавления новых программистских разработок.
Именно такое положение в социальной системе занимают медицинские и реабилитационные подсистемы, поскольку они должны быть ориентированы, прежде всего, на изменение медицинского и социального статуса своих объектов учета, а именно на их улучшение, а не только на фиксацию текущего состояния, что, конечно, не всегда в полной мере достижимо. То есть в аспекте подвижности информационной базы мы должны выделять и обозначать ее относительно других подсистем как «сверхподвижную».
Цель работы. Целью работы является разработка концепции расширения объектного подхода к проектированию АИС для решения задачи построения медико-социальной АИС — информационного регистра.
В результате проведенного выше рассмотрения общей начальной постановочной задачи можно утверждать, что такая цель ведет к постановке и решению задачи, требующей отображения «сверхподвижного» информационного ресурса. Это в свою очередь, требует развития концепции информационного объекта в сторону учета его динамических свойств, то есть учета особенностей объекта, динамика которого существенным образом зависит от внешних информационных потоков и множества взаимодействующих информационных систем, реально существующих в разных режимах.
Для выполнения поставленной социально важной задачи в настоящей диссертационной работе представляется необходимым провести исследования, разработки и апробацию их результатов, конкретизирующих указанную выше основную цель настоящей работы. Используемый формальный аппарат. В реализации проекта АИС использованы формализмы объектного подхода, аппараты ассоциативной и реляционных алгебр. На физическом уровне используется механизм сбалансированных деревьев. Показано, что задача математического моделирования структуры СУБД в заданных приближенных условиях и ограничениях не дает практической пользы из-за существенно динамических свойств объектов БД. Предлагается альтернативный вариант, основанный на предлагаемых формализмах расширения объектного подхода, который обеспечивает надежность и функциональную пригодность предлагаемой концепции АИС.
Научная новизна. Научная новизна разработки заключается в том, что:
1. Показывается ограниченность стандартного трехуровневого подхода к проектированию АИС, слабым местом которого является эффективность преобразования одно уровня в другой, вследствие плохой формализуемости концептуальной схемы. В итоге, существующий подход плохо применим к системам с высоко подвижными информационными ресурсами.
2. Выбирается физический уровень представления данных на базе модифицированных сбалансированных деревьев.
3. Обосновывается выбор логического уровня реализованного в виде упорядоченных разряженных деревьев и языка управления такими структурами.
4. На концептуально-логическом уровне вводится два новых типа объектов: стержневой и виртуальный, которые предлагается использовать в качестве расширения стандартной объектной модели.
5. С использованием двух новых типов объектов строится четырехуровневая структура АИС, выполненная на объектной СУБД Cache . Реализация указанного расширения выполнена в рамках стандартов ODMG, SQL, как воплощение инструментального подхода к проектированию АИС, работающей в режиме непрерывного конструирования и развития.
6. Предлагается программное обеспечение, реализующее практическую информационную открытость и масштабируемость АИС.
7. Обсуждается эффективность четырехуровневой логической структуры АИС.
Практическая ценность. Практическая значимость работы определяется важностью задачи управления социальными ресурсами и тем обстоятельством, что имеющиеся на сегодня информационные технологии и программные сред ства не позволяют адекватно подойти к проблеме автоматизации информационного обеспечения указанных задач. Это определяется в первую очередь тем, что имеющиеся информационные технологии в первую очередь слишком сложны в использовании, требуют достаточно много средств и времени на разработку соответствующего проекта. В то же время, они в должной мере не обеспечивают масштабируемость системы класса АИС, либо не обеспечивают достаточного уровня оперативности внедрения и качества (в основном надежности и в то же время, разнообразия) функционирования информационного обеспечения управления ресурсами.
Предлагаемый подход в значительной мере позволяет снять все перечисленные проблемы, а именно достигается практически любая заданная масштабируемость проекта в «горячем режиме» функционирующей прикладной АИС, достигается высокая надежность и мобильность информационного обеспечения, при этом затраты на разработку, текущую эксплуатацию и дальнейшее развитие АИС остаются в допустимых пределах.
Сказанное особенно важно для обеспечения существующей Федеральной программы информационного обеспечения системы социальной поддержки инвалидов. Утвержденная Правительством Федеральная программа предусматривает создание единой автоматизированной информационно-справочной системы по проблемам инвалидности и инвалидов. Основными функциями системы являются:
1. планирование развития отраслей реабилитационной индустрии;
2. подготовка решений по вопросам финансирования комплексных программ реабилитации;
3. проведение многоуровневого анализа различных аспектов проблем инвалидности;
4. сбор, хранение, обработка и оперативное предоставление информации потребителям различных уровней - федерального, регионального, муниципального, в том числе и инвалиду, по следующим основным направлениям: текущее информационное обслуживание; социальное прогнозирование и планирование; комплексное изучение проблем социальной защиты инвалидов;
5. обеспечение формирования и выполнения индивидуальных программ реабилитации (ИПР) на базе: учета инвалидов; учета потребностей инвалидов; предоставления необходимой информации разработчикам и исполнителям индивидуальной программы реабилитации (ИПР); 6. обеспечение координации действий всех участников процесса реабилитации.
Объект исследований. Объектом исследования является система «информационный регистр» работающая в медико-социальной сфере. Предметом исследований является четырехуровневая система проектирования АИС.
Защищаемые положения. В соответствии со сформированной задачей исследования к защищаемым положениям относятся:
1. Разработка основ построения многоуровневой модели проектирования АИС.
2. Формирование модели низкоуровневого представления данных в задачах с высокоподвижными информационными ресурсами.
3. Разработка формализмов стержневого и виртуального объектов как расширения объектного подхода на концептуально-логическом уровне проектирования.
4. Практическая реализация инструментария создания автоматизированных рабочих мест для сопровождения работы АИС информационных регистров различного уровня.
Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались на: Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям СПб, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 25-28 мая 1999 г ; Международной конференции: «Intelligent Systems and Information Technologies in Control» (IFAC) СПб/Псков, 19-23 июня 2000 года; VII Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика-2000" - СПб, 5-8 декабря 2000, СПб, 2000 г., Международном научно-практическом семинаре «Телемедицина - становление и развитие», СПб, 2000 г., а также на заседании ученого совета СПИИРАН и цикле семинаров Научно-практического центра освидетельствования, протезирования и реабилитации инвалидов им. А.Г.Альбрехта.
Публикации: Научные результаты работы по теме диссертационной работы изложены в пяти печатных трудах в академическом и университетских изданиях.
Объектная модель данных
На формально-логическом уровне представления данных в прикладных системах удобно оперировать в терминах объектно-ориентированных языков программирования (ООЯП).
Объект - это некоторая сущность, поведение которой и структура описывается с помощью класса, к которому он принадлежит. Иногда объект обозначают термином «экземпляр класса». Объекты могут обладать состоянием, поведением, а также получать или генерировать события. Под состоянием объекта понимается совокупность его статических и динамических свойств. Под поведением объекта понимаются его возможность изменять свое состояние из-за внешних воздействий и способность самому воздействовать на другие объекты прикладной системы. Поведение объекта однозначно описывается в методах класса и может зависеть от его динамических свойств. В современных ООЯП при описании свойств объекта допускается возможность их связи с методами. Так, например, для свойств назначаются события записи и считывания, а к этим событиям прикрепляются методы, которые предназначены для отработки этих событий.
В языках программирования объекты описывается классом. Класс может порождать однотипные объекты с заданными свойствами и поведением. В применении к объектно-ориентированным языкам под классом обычно понимают формальное описание совокупности объектов. Классы описываются либо в текстах прикладных программ, либо в репозитории - словаре классов. Классы имеют собственную подструктуру. Подструктура делится на элементы: события, методы, свойства. В этом смысле класс это агрегат составных элементов. По желанию, часть элементов можно сделать внутренними, т.е. запретить к ним доступ со стороны других объектов.
Во многих языках программирования кроме классов существует еще и типы. В общем случае типы и классы несут одну и туже функциональную нагрузку, но типы исторически были реализованы гораздо раньше (например, в первой реализации языка С) поэтому они обладают ограниченной функциональностью, но удобны в применении вследствие простого описания.
Свойства помогают определить, чем являются объекты и как их классифицировать. Свойства объекта определяются как часть описания класса. Эта информация о свойствах класса называется метаданными класса. Свойства разделяются также по атрибутам и взаимосвязям. Атрибут - это свойство, значение которого постоянно, например, число, строка или дата. Взаимосвязь - это свойство, значением которого является другой объект.
Преимущество объектов заключается в том, что они имеют не только свойства, но и методы, которые назначают объекту определенное поведение. Как и в случае свойств, методы объекта назначаются пользователем как часть описания класса. Затем, когда объект уже существует, по требованию пользователя или автоматически в зависимости от заданной настройки системы, метод вызывается, чтобы получить требуемые результаты.
Методы содержат код, который интерпретируется данными и воздействует на них. Код метода хранится вместе с данными в объектной СУБД (ОСУБД). Методы полезны для выполнения над объектом или группой объектов логических действий. Если они включены в базу данных, то отпадает необходимость сопровождения и обновления логики во внешнем приложении. Методы обладают свойствами инкапсуляции и полиморфизма.
Инкапсуляция используется для определения интерфейса объекта без раскрытия деталей объекта. Интерфейс объекта используется для управления объектом и обеспечивается вызовом методов объекта. Благодаря инкапсуляции, внутренние свойства или методы объекта могут изменяться, не затрагивая способ, которым пользователь или приложение взаимодействует с объектом. Инкапсуляция позволяет разработчику базы данных изменять свойства и методы внутри объекта, не затрагивая приложений, которые осуществляют использование объекта.
Метод является полиморфным, если он может быть реализован различными способами, в зависимости от класса объектов, к которому он применяется. Полиморфизм упрощает разработку приложений, потому что разработчик не должен проверять определенный тип объекта перед вызовом метода. Он также позволяет вводить новые типы объектов, не воздействуя на существующие программы.
В соответствии со стандартом ODMG [32,33] объектная модель данных характеризуется следующими свойствами. Базовыми примитивами являются объекты и литералы. Каждый объект имеет уникальный идентификатор, литерал не имеет идентификатора. Объекты и литералы различаются по типу. Все элементы одного типа имеют одинаковый диапазон изменения состояния (множество свойств) и одинаковое поведение (множество определенных операций). Объект, на который можно установить ссылку, называется экземпляром; он хранит определенный набор данных: 1. Состояние объекта определяется набором значений, реализуемых множеством свойств. Этими свойствами могут быть атрибуты объекта или связи между объектом и одним или несколькими другими объектами; 2. Поведение объекта определяется набором операций, которые могут быть выполнены над объектом или самим объектом. Операции могут иметь список входных и выходных параметров строго определенного типа. Каждая операция может также возвращать типизированный результат; 3. База данных хранит объекты, позволяя совместно использовать их различным пользователям и приложениям. База данных основана на схеме данных, определяемой языком определения данных, и содержит экземпляры типов, определенных схемой. Каждый тип имеет внешнюю спецификацию и одну или несколько реализаций. Спецификация определяет внешние характеристики типа: пользователю для работы с объектом предоставляется набор операций и набор атрибутов объекта, при помощи которых можно работать с реальными экземплярами. Реализация определяет внутреннее содержание объектов, например операции. Тип также является объектом. Поддерживается иерархия супертипов и подтипов, реализуя стандартный механизм объектно-ориентированного программирования — наследование. ООСУБД обслуживает множество баз данных, каждая из которых содержит определенное множество типов. В базах данных могут содержаться объекты соответствующего типа из этого множества. Тип имеет набор свойств, а объект характеризуется состоянием в зависимости от значения каждого свойства. Операции, определяющие поведение типа, едины для всех объектов одного типа. Свойство едино для всего типа, а все объекты типа также имеют одинаковый набор свойств. Значение свойства относится к конкретному объекту. Каждый тип имеет внешнюю спецификацию и одну или несколько реализаций. Спецификация определяет внешние характеристики типа: пользователю для работы с объектом предоставляется набор операций и набор атрибутов объекта, при помощи которых можно работать с реальными экземплярами. Реализация определяет внутреннее содержание объектов, например операции. Важнейшей задачей любой АИС является хранение информации. Как известно за хранение информации отвечают специализируемые продукты называемые СУБД. Согласно объектной модели ODMG (рис. 2), каждый объект имеет определенный, единственный тип. Поведение объектов определяется операциями, заданными для объектов этого типа. Операции определяются своими сигнатурами. Состояние объекта определяется значениями его свойств. Свойства могут быть либо атрибутами объекта, либо его связями с другими объектами. Свойства и операции составляют характеристики типа.
Модифицированное В-дерево
Многие задачи управления (в частности, социальными ресурсами) эквивалентны задачам контекстно-зависимого управления [13] (управления структурами связей данных в реальном времени). В полном варианте своей реализации такая постановка управления превышает известные существующие научно-практические возможности ее реализации. Известные сетевые и формальнологические подходы пока не дали удовлетворительные результатов для задач такого уровня сложности, поэтому для решения задачи на высоком уровне удовлетворения ее требований в настоящей работе предлагается следующий подход.
Главным ограничением любой полезной практической разработки является то, что по сути своих требований она должна быть выполнена в рамках промышленных СУБД и действующих стандартов информационных технологий. Отсюда следует, что разработка должна включать в себя все уровни абстракции представления данных, от физического до концептуального с тщательным изучением необходимой степени подробности и числа промежуточных уровней представления.
В данной главе рассматриваются физический и логический уровни представления данных в АИС для построения систем с высокоподвижными информационными ресурсами. Для этого необходимо выбирается такую структуру логического уровня, при которой он максимально эффективно отражается на физический уровень с целью минимизации потерь на обработку данных.
Под структурой данных обычно понимают множество элементов данных и множество связей между ними. Такое определение охватывает все возможные подходы к структуризации данных, но в каждой конкретной задаче используются те или иные его аспекты. Поэтому обычно вводится дополнительная классификация структур данных, направления которой соответствуют различным аспектам их рассмотрения. Прежде чем приступать к рассмотрению конкретных структур данных, приведем их общую классификацию по нескольким признакам.
Понятие «физическая структура данных» отражает способ физического представления данных в памяти машины и называется еще структурой хранения, внутренней структурой или структурой памяти. Абстрактная или логической структура обычно рассматривается без учета ее представления в машинной памяти. В общем случае между логической и соответствующей ей физической структурами существует различие, степень которого зависит от самой структуры и особенностей той среды, в которой она должна быть отражена. Вследствие этого различия существуют процедуры, осуществляющие отображение логической структуры в физическую и наоборот. Эти процедуры обеспечивают, кроме того, доступ к физическим структурам и выполнение над ними различных операций, причем каждая операция рассматривается применительно к логической или физической структуре данных.
В языках программирования различаются простые (базовые, примитивные) структуры (типы) данных и структурированные (композитные, сложные). Простые структуры данных не могут быть скомпонованы из составных частей, больших, чем биты. С точки зрения физической структуры важным является то обстоятельство, что в некоторой данной машинной архитектуре, в данной системе программирования всегда можно заранее сказать, каков будет размер простого типа и какова структура его размещения в памяти. С логической точки зрения простые данные являются неделимыми единицами. Интегрированные структуры данных всегда содержат в себе составные части, которыми являются другие структуры данных - простые или в свою очередь интегрированные. Интегрированные структуры данных конструируются программистом с использованием средств интеграции данных, предоставляемых языками программирования. В зависимости от отсутствия или наличия явно заданных связей между элементами данных следует различать несвязанные структуры (векторы, массивы, строки, стеки, очереди) и связные структуры (связные списки).
Весьма важный признак физической структуры данных - ее изменчивость -изменение числа элементов и (или) связей между элементами структуры. В определении изменчивости структуры не отражен факт изменения значений элементов данных, поскольку в этом случае все структуры данных имели бы свойство изменчивости. По признаку изменчивости различают структуры статические и динамические.
Одной из наиболее часто встречающихся задач является поиск необходимых данных. Существуют различные методы, отличающиеся друг от друга временем поиска, сложностью алгоритмов, размерами требуемой памяти. Обычно стремятся всячески сократить время, затрачиваемое на поиск необходимого элемента. Одним из самых быстрых методов является поиск по упорядоченному бинарному дереву. При удачной структуре дерева время поиска элементов не превышает в среднем log N. Но при неудачной структуре время поиска может значительно возрасти, достигая N/2. ( N - число элементов дерева).
Одним из методов, улучшающих время поиска в бинарном дереве, является создание сбалансированных деревьев обладающих минимальным временем поиска [39]. Одно из определений сбалансированности было дано Адельсоном-Вельским и Ландисом: дерево является сбалансированным тогда и только тогда, когда для каждого узла высота его двух поддеревьев различается не более чем на 1. Поэтому деревья, удовлетворяющие этому условию, часто называют "АВЛ-деревьями" (по фамилиям авторов). Обратимся к задаче поддержания структуры дерева таким образом, чтобы за время, не превышающее (log N), могла быть выполнена каждая из следующих операций: 1) вставить новый элемент; 2) удалить заданный элемент; 3) поиск заданного элемента. С тем чтобы предупредить появление несбалансированного дерева, вводится для каждого узла (вершины) дерева показатель сбалансированности, который не может принимать одно из трех значений, левое - (L), правое - (R), сбалансированное - (В), в соответствии со следующими определениями: - левое - узел левоперевешивающий, если самый длинный путь по ее левому поддереву на единицу больше самого длинного пути по ее правому поддереву; - сбалансированное - узел называется сбалансированный, если равны наиболее длинные пути по обоим ее поддеревьям; - правое - узел правоперевешивающий, если самый длинный путь по ее правому поддереву на единицу больше самого длинного пути по ее левому поддереву.
Преобразование объектной модели в реляционную
Как уже было сказано классы это формальное описание объектов или другими словами экземпляров класса. При создании объекта может возникнуть такая ситуация что потребуется некоторая инициализация его свойств и выполнение некоторых действий. Для этого служит специальный метод класса, называемый конструктором. И наоборот, при попытке удаления объекта он должен выполнить некоторые операции, в этом случае вызывается деструктор в котором и содержится соответствующий код.
Рассмотрим более подробно работу с экземплярами классов. В момент создания экземпляра класса всегда вызывается соответствующий конструктор. Конструктор текущего класса может и не существовать в явном виде, тогда он наследуется от ближайшего базового класса. При вызове конструктор обязан возвратить ссылку на созданный объект. Ссылка это единственный элемент, с помощью которого можно работать с созданным объектом. Если ссылка потеряна, то объект станет не управляемым и данный объект нельзя будет удалить.
Если абстрагироваться от поведенческого аспекта объектов, объектно-ориентированный подход весьма близок к подходу семантического моделирования данных [58] (даже и по терминологии). Фундаментальные абстракции, лежащие в основе семантических моделей, неявно используются и в объектно-ориентированном подходе. На абстракции агрегации основывается построение сложных объектов, значениями атрибутов которых могут быть другие объекты.
С другой стороны, наиболее важным новым качеством ОСУБД, которое позволяет достичь объектно-ориентированный подход, представляется поведенческий аспект объектов. В прикладных информационных системах, основывавшихся на БД с традиционной организацией (вплоть до тех, которые базировались на семантических моделях данных), существовал принципиальный разрыв между структурной и поведенческой частями. Структурная часть системы поддерживалась всем аппаратом БД, ее можно было моделировать, верифицировать и т.д., а поведенческая часть создавалась изолированно. В частности, отсутствовали формальный аппарат и системная поддержка совместного моделирования и гарантирования согласованности этих структурной (статической) и поведенческой (динамической) частей. В среде ОСУБД проектирование, разработка и сопровождение прикладной системы становится процессом, в котором интегрируются структурный и поведенческий аспекты.
Абстрагируемся от поведенческого аспекта объектов. Для этого введем новый тип объектов - виртуальные объекты.
Пусть имеется множество виртуальных объектов О {oi,..,on} таких, что реально они не существуют в БД (нет никаких записей в деревьях). Но существует функция порождения С (constructor) , вычисляемые свойства {Р}, отдельные для каждого объекта. {Р} могут вычисляться только в момент вызова {Р}. Вводя виртуальные объекты можно формально свести объектный подход к реляционному. Это достигается за счет изоляции поведенческой составляющей (методов) на момент существования О. Реально она есть в функции С (при создании). С О можно работать как с объектными кортежами. На О можно исследовать операции характерные для реляционной алгебры. Основное преимущество объектных картежей заключается в экономии машинной памяти; например пусть есть два кортежа al,bl,cl и al,bl,c2 их легко соединить в объектный кортеж с вершинами al,bl,cl:c2 . Правила соединения вершин могут быть различными.
Связь О с стержневыми объектами может быть только через С (в момент создания) или деструктор D в момент удаления. О - это единственное звено соприкасающееся с реляционным подходом. Функция С должна иметь по крайней мере два аргумента: направление и текущий о.
Виртуальные кортежи хорошо согласуются с аппаратом ассоциативной алгебры. Ассоциация имеет место в том случае, если несколько событий связаны друг с другом. Если существует цепочка связанных во времени событий, то говорят о последовательности. С помощью классификации выявляются признаки, характеризующие группу, к которой принадлежит тот или иной объект. Это делается посредством анализа уже классифицированных объектов и формулирования некоторого набора правил. Кластеризация отличается от классификации тем, что сами группы заранее не заданы. С помощью кластеризации средства типа Data Mining самостоятельно выделяют различные однородные группы данных. Основой для всевозможных систем прогнозирования служит историческая информация, хранящаяся в БД в виде временных рядов. Если удается построить найти шаблоны, адекватно отражающие динамику поведения целевых показателей, есть вероятность, что с их помощью можно предсказать и поведение системы в будущем.
Отношения (связь между классами) в ассоциативной алгебре можно определить формально. Аппарат ассоциативной алгебры позволяет выстраивать схемы БД. Введем обозначения: А В, С - обозначает классы (большие буквы); R(A В) - обозначает отношение между классами; aj.. а„ -объекты (экземпляры) класса А; (an,bk)- связь 1:1 n-го объекта класса А с к объектом класса В (ай )- отсутствие связи n-го объекта класса А с к объектом класса В Для полного перевода объектных кортежей в аппарат ассоциативной ал гебры следует учесть, что ассоциативная алгебра работает со схемами классов, поэтому необходим перевод виртуальных объектов в схему классов. Схема класса С -этоконечное подмножество D$ , С = {St \ St ED$} (будем называть та кое Si именем атрибута класса С). Тогда класс с со схемой С - это конечное множество отображений {oj, 02, ..., oj из С в Q, причем каждое отображение о— с должно удовлетворять следующему ограничению: o(s$ с Q{. Такие ото бражения о будем называть объектами. Другими словами, объектом о класса с называется множество fa-.-iS/ \ s{ является именованным (имеющим имя S,) под множеством соответствующего {Qj.stcQj }. Поскольку Ds можно рассматривать как объединение всех схем классов С (Ds = С/ u С2 u.... и Ст, где m - число классов существующих в системе,), то множество всех объектов всех классов 0= Ci u с2 u.... и ст можно рассматривать как множество отображений из домена Ds в то же самое множество Q. Сказанное позволяет перевести виртуальный объект в аппарат ассоциативной алгебры. Кроме того, все рассмотренное выше позволяет далее (в четвертой главе) применить этот аппарат для реализации прикладных АИС. Введение виртуального объекта позволяет с одной стороны «заморозить» его свойства и работать с ним как с кортежем, а с другой стороны, ввести аппарат ассоциативной алгебры в конструктор динамического объекта на момент его создания. Рассмотрим свойства атрибутов динамического объекта в их представлении в виде логического разряженного упорядоченного дерева. Информация о свойстве атрибута есть семантически значимая информация. Иными словами, при проектировании АИС она имеет смысл. Этот смысл определяется именем свойства. «Вес», «адрес», «цвет» и т.п. - все эти слова являются семантически значимыми именами соответствующих классов свойств. Они позволяют ассоциировать значения свойств с полученными ранее знаниями (информацией) об устройстве внешнего мира. Употребление их на концептуально-логическом уровне, подразумевается, какое именно взаимодействие этими значениями описывается.
Концептуальный уровень представления АИС социальных регистров обеспечения реабилитации инвалидов
Проблемы информационного обеспечения системы реабилитации инвалидов можно, условно, разбить на четыре направления.
Во-первых, необходимо выделить задачу формирования данных, получаемых при освидетельствовании инвалида и разработке индивидуальных программ реабилитации (ИПР). При этом соответствующие записи должны быть представлены в электронном виде, так как на сегодняшний день только эта технология хранения позволяет эффективно искать, передавать и анализировать (обрабатывать) информацию.
На втором месте стоит подготовка и использование сведений об актуальных (имеющихся в наличии) и доступных для конкретных инвалидов реабилитационных товарах и услугах. При отсутствии этих данных программы реабилитации остаются, зачастую, «добрыми пожеланиями».
В качестве третьего информационного направления можно выделить задачу подготовки и передачи в бюро МСЭ (или в организацию, курирующую прохождение ИПР конкретным инвалидом) оперативных данных о результатах проведения реабилитационных мероприятий. Существующая на сегодняшний день практика оценки результатов восстановления утраченных способностей в момент очередного переосвидетельствования (через год или два после назначения реабилитационных процедур) почти полностью отсутствует.
Наконец, четвертое направление связано с задачами совместного анализа сведений по разработанным и реализованным ИПР, по «запланированным» и имеющимся в наличии реабилитационным товарам и услугам, а также по результативности проведенных мероприятий. В соответствии с требованиями времени, актуальным становится использование таких данных для подготовки статистических и аналитических справок, необходимых для повышения эффективности оперативного и стратегического управления (планирования, развития). Только сравнивая плановые и достигнутые показатели с необходимыми и имеющимися ресурсами, можно дать адекватную оценку эффективности работы системы.
Опишем применение изложенных выше подходов при разработке концепций, проектировании и реализации региональных информационных систем в области медико-социальной экспертизы, реабилитации инвалидов и социальной защиты населения. Причина подобного «концептуального объединения» связана с тем, что только наличие соответствующих массивов данных, их параллельное развитие и взаимодействие способны обеспечить полноценную поддержку задач, решаемых каждой из рассматриваемых социальных структур в отдельности.
Необходимо, прежде всего, отметить, что органы МСЭ являются единственно надежным поставщиком первичной информации об инвалидах, а сведения реабилитационных учреждений дополняет эти данные и формирует базу для постреабилитационного сопровождения инвалида системой социальной защиты населения. Таким образом, общую структуру информационного и ресурсного взаимодействия можно представить в виде схемы (рис 14). 1 На нем стрелками выделены каналы информационного обмена, материально-финансовые потоки и услуги, координационное взаимодействие, и управление. К характерным функциональным особенностям такой АИС следует отнести: 1. Начальное взаимодействие региональных организаций на этапах подготовки, освидетельствования, реабилитации и «социального сопровождения» инвалида; 2. Тесное координационное и информационное взаимодействие системы МСЭ, реабилитационных учреждений и органов социальной защиты населения в процессе реабилитации и последующей социальной поддержки инвалида; 3. Формирование региональных ресурсов, целевых программ социального развития и законодательства на основе анализа структуры и объемов реальных потребностей инвалидов; 4. Формирование и предоставление всем заинтересованным организациям достоверной и регулярно обновляемой информации о доступных инвалидам реабилитационных товарах и услугах; 5. Создание, активное использование и сопровождение трех системообразующих информационных массивов: «Региональный регистр инвалидов», «База данных ИПР» и «Реабилитационные ресурсы региона». Предлагаемая постановка работ позволяет целенаправленно и планомерно формировать единое информационное пространство АИС комплексной реабилитации инвалидов. В качестве ее центрального элемента выбран региональный регистр инвалидов. Принцип его формирования представлен нарис. 15. По сути, этот информационный блок является частью ресурсов системы медико-социальной экспертизы. Он решает три основные задачи. Во-первых, обеспечивает статистической информацией по проблемам инвалидности (причины инвалидности и основные диагнозы, локализация инвалидов по проживанию, распределение по группам, возрасту и полу, потребности и т.д.) все структурные подразделения органов управления региона. Во-вторых, формирует специализированные блоки данных для социального регистра населения. И, наконец, позволяет в автоматическом (полуавтоматическом) режиме передавать необходимые сведения на федеральный уровень.
